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摘要隨著人工智能等應用對數據存儲與計算需求的持續增長,處理數據的能耗顯著增加,提升計算芯片的算力并降低功耗成為亟待解決的關鍵課題。

  【儀表網 研發快訊】近日,信息科學與工程學院陳杰智課題組的研究成果以題為“An Efficient Flash-Based Computing-in-Memory (CIM) Demonstration of High-Precision (32-bit) Nonlinear Partial Differential Equation (PDE) Solver With Ultra-High Endurance and Reliability”的論文發表在集成電路領域旗艦期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers(簡稱TCAS-I)上。信息學院2021級直博生馮揚是論文第一作者,陳杰智教授是論文通訊作者,山東大學信息科學與工程學院為第一完成單位及通訊單位。
 
  隨著人工智能等應用對數據存儲與計算需求的持續增長,處理數據的能耗顯著增加,提升計算芯片的算力并降低功耗成為亟待解決的關鍵課題。存算一體技術因其在存儲陣列內集成計算單元的能力,可實現大規模數據的并行計算,展現出極高的計算能效與算力密度,成為高性能計算領域的重要技術之一。面對日益復雜的網絡推理任務,存算一體硬件支持的計算精度要求也隨之提升。特別是在以求解偏微分方程(PDE)為代表的通用型計算中,高精度存算宏單元的研發變得尤為重要。本研究通過設計閃存存算一體架構,有效提升了計算效率和精度,為解決復雜計算任務提供了重要技術支撐。
 
圖1 FNO算法及高精度存算系統映射原理
 
圖2 存算芯片硬件及運算架構
 
  基于Fourier Neural Operator (FNO) 算法,設計了32比特高精度閃存存算單元,基于硬件系統架構實現了非線性偏微分方程的求解。結合可靠性分析、電路測試以及系統級仿真,對該系統性能和魯棒性進行了全面驗證。測試結果表明,該系統能夠實現40ns的高速脈沖輸出,在高效求解非線性偏微分方程的同時,以更低的硬件成本和更小的功耗完成復雜計算,能效高達2 TOPS/W。該技術方案為構建高能效通用型存算一體系統提供了新的技術路徑。
 
  TCAS-I作為國際電路與系統領域的頂級期刊,對被錄用論文的要求極高,需呈現創新性的芯片設計并提供全面的理論分析。該論文第一作者馮揚,為山東大學信息科學與工程學院2017級微納光電子科學與技術新工科試驗班本科生,2021年直博加入陳杰智教授課題組,至今以第一作者/共同第一作者在IEEE TCAS-I、IEEETED、IEEE EDL等權威期刊發表SCI論文8篇,在集成電路國際頂級學術會議IEDM上發表會議論文1篇,VLSI Symposia Technology上發表會議論文2篇。
 
  上述工作得到了科技部重點研發項目、國家自然科學基金重點項目、后摩爾重大研究計劃項目、國家公派留學基金等多個項目資助。

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